隧道二衬结构安全性评估及改进方案
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实际埋深均超 20 m,故判别为深埋隧道。
(2) 深埋围岩压力计算
围岩垂直均布压力为
q = γh = 0. 45 × 2 s - 1 ωγ
(3)
式中,s 为围岩级别;ω 为宽度影响系数;B 为隧道
最大开挖跨度,应考虑超挖影响。
隧道二衬荷载承载能力有一定范围,A 段( DK26 +
112
2021 年第 1 期
055 段。
(3) 素混凝土安全评定标准
K 1 N ≤ ϕαR a bh
A
拱墙 0. 25 仰拱 0. 25
C
拱墙 0. 28 仰拱 0. 28
B
D
(4)
心距;K 2 为抗拉安全系数。
4 二衬钢筋缺失结构安全性评估
4. 1 参数选取和模型建立
通过无 破 损 检 测, 表 明 隧 道 正 洞 DK26 + 039 ~
期间隧道二次衬砌结构影响进行研究 [1] ;余永康等应
用数值模拟方法对隧道二衬作用效应及分担比进行研
究 [2-3] ;胡庆龙等研究隧道衬砌缺陷问题,并提出钢筋
混凝土套衬整治方案 [4] ;常伟学等研究隧道二衬施工
钢筋间距问题 [5-6] ;李忠凯等在管棚的设计与施工方
法、管棚支护的力学机理、实际工程数值模拟等方面做
表 1 围岩水平均布压力
Ⅳ
围岩级别
Ⅴ
(0. 15 ~ 0. 3) q
水平均布压力
K2 N ≤ ϕ
(0. 3 ~ 0. 5) q
围岩级别
A
Ⅳb
C
Ⅴ b-1
Ⅴa
B
Ⅴ c-1
D
二衬荷载
分担比例
计算取
用比例
30% ~ 50%
50%
50% ~ 70%
50%
垂直承担荷 水平承担
载 q / MPa 荷载 e / MPa
Secondary Tunnel Lining Structure
Tian Yuesong
( School of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi 545006, China)
(1)
q
(2)
γ
式中:H p 为浅埋隧道分界深度;h q 为荷载等效高
hq =
度;q 为深埋隧道垂直压力;γ 为围岩容重。
令 H p 取 最 大 值, 经 计 算, 4 段 隧 道 H p 分 别 为
7. 095 m、15. 323 m、15. 323 m、9. 903 m,而此 4 段隧道
验
[13]
;刘振青等研究了高性能混凝土在隧道二衬结构
图 1 某隧道直线段状况
相对稳定地块。 隧道采用暗挖及明挖两种方式开挖,Байду номын сангаас
全长约 5 495. 7 m, 未 见 地 下 水。 其 中, DK26 + 039 ~
DK26 + 500 段处于安山岩地层,为Ⅳ级围岩,浅灰色,
弱风化,岩体较完整,呈块石状镶嵌结构。 存在二衬缺
0. 30
22
0. 20
18. 0
400
1. 5
0. 35
20
22
0. 20
0. 20
18. 0
18. 0
420
300
2. 0
1. 0
0. 35
0. 35
表 5 C35 混凝土物理力学计算参数
材料类型
素混凝土
钢筋混凝土
重度
泊松比 μ
/ ( kN / m3 )
23
25
0. 20
0. 20
载、初支二衬荷载分担比,并引入结构抗拉抗压安全系数来评定二衬结构安全状况,计算出隧道断面各
点处弯矩值、轴力值,进而得出钢筋缺失段安全系数。 以石家庄地区某隧道为例,经计算,钢筋缺失段抗
拉抗压安全系数未达到对应规范值(3. 6、2. 4) ,抗拉安全系数较全截面钢筋降低 70%以上,判定二衬结
构安全性不合格。 并针对较长隧段二衬结构钢筋缺失问题提出了可靠的处理措施。
110
2021 年第 1 期
铁 道 勘 察
文章编号:1672
7479(2021)01
0110
04
隧道二衬结构安全性评估及改进方案
田岳松
( 广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006)
摘 要:为解决较长段深埋隧道二衬钢筋缺失情况下结构安全性问题,基于破损阶段法理论,运用
ANSYS 有限元软件建模分析隧道二衬结构受力情况,综合分析隧道埋深、围岩级别、围岩水平竖直荷
图 1。
2. 2 地质概况
石家庄地区属于华北地块一级大地构造单元,为
安全 系 数, 依 据 TB 10003—2016 《 铁 路 隧 道 设 计 规
衬砌。 计算复合式衬砌时,初期支护应按主要承载结
3. 2 计算公式
(1) 隧道深浅埋的划分
划分隧道深埋与浅埋时,有
H p = (2 ~ 2. 5) h q
铁 道 勘 察
039 ~ DK26 + 500) 无结构缺陷,二衬荷载分担比例取最
式中:R a 为混凝土抗压极限强度;K 1 为抗压安全
小值( 见表 1、表 2) 。
影响系数。
大值;其余 3 段存在钢筋缺失,二衬荷载分担比例取最
系数;b 为截面的宽度;h 为截面厚度;α 为轴向力偏心
②偏心受压结构抗拉强度为
the tunnel with full-section steel bars. The safety of the second lining structure was determined as unqualified.
Reliable treatment measures were presented for tunnel with reinforcement missed in the second lining
关键词:隧道二衬;安全性评估;破损阶段法;ANSYS;有限元分析
中图分类号: U451 + . 4 ; U455. 91 文献标识码: A
DOI:10. 19630 / j. cnki. tdkc. 202007050001
开放科学( 资源服务) 标识码( OSID) :
Safety Assessment and Improvement Schemes of the
;谭贤君等对寒区隧道二衬混凝土冬季施
况为根据,综合考虑材料的塑性性能并引入抗拉抗压
以上学者主要针对于不同环向钢筋间距、二衬顶
范》 ,矿山法隧道应采用曲墙式衬砌,并宜采用复合式
部脱空、二衬内单层钢筋条件下二衬结构的安全性问
构计算,二次衬砌在Ⅳ级、Ⅴ级围岩情况下,宜按承载
题进行研究,但是其并未涉及较长段隧道二衬钢筋全
作者简介:田岳松(1995—) ,男,广西科技大学土木工程专业在读硕士
研究生。
隧道工程在国民经济建设中发挥着不可替代的作
用,隧道二衬结构既承担隧道荷载,又起到装饰作用,
正可谓内实外华。 二衬结构检测是隧道施工验收的重
111
隧道二衬结构安全性评估及改进方案:田岳松
要内容,是确保隧道安全运营的重要保障。
Abstract: In order to analyze safety problems of the secondary lining of long deep-buried tunnel with steel bars
missed, based on the theory of damage stage method, ANSYS finite element software was used to model and
I20a
拱墙 0. 30 仰拱 0. 30
I20a
拱墙
拱墙
I20a
拱墙、仰拱
拱墙、仰拱
Ⅳb
钢筋直 钢筋间 重度 γ
反力系 k 变形模量
径 / mm 距 / m / ( kN / m3 ) / ( MPa / m) E / GPa
Ⅴa
Ⅴ b-1
Ⅴ c-1
泊松比 μ
20
0. 20
21. 0
500
5. 0
in Shijiazhuang area as an example, after calculation, the tensile and compressive safety factor of the missing
steel bar did not reach the corresponding standard value (3. 6, 2. 4) , and the tensile safety factor was 70% of
2 工程概况
2. 1 隧道概况
石家庄某隧道直线段处为Ⅳ级、Ⅴ级围岩,该地段
为单斜构造,节理裂隙较发育,给施工带来较大难度。
采用钢格栅 ϕ6. 5@ 150 mm 钢筋网片及 C25 网喷混凝
土进行初期支护,竖井钢格栅四角设置 I22a 工字钢斜
撑进行加强,二衬采用 C35 模筑混凝土。 隧道状况如
结构设计。
中的应用
[14]
工温控技术进行研究,为类似工程安全、快速实施提供
借鉴 [15] 。
部缺失情况,以下采用 ANSYS 建模对二衬结构进行模
拟,综合考虑钢筋缺失情况、围岩类型、隧道埋深、拱墙
厚度等因素,得出隧道断面各部分的轴力图、弯矩图,
再运用破损阶段法计算出各部分的抗拉抗压安全系
数,从而判断出隧道二衬是否安全。
DK26 + 500 段钢筋信号正常,DK28 + 400 ~ DK300 + 560、
DK30 + 698 ~ DK31 + 000 和 DK45 + 035 ~ DK45 + 055 段拱
道安全考虑,对上述 4 段二衬结构进行内力分析。
表 3 各里程段衬砌设计参数
二次衬砌
钢拱架
规格
部位
I18
拱墙 0. 28 仰拱 0. 28
the safety of the secondary lining structure. Bending moment and axial force values at each points of the tunnel
section were calculated. The safety factor of the section with steel bars missed was obtained. Taking a tunnel
0. 059 6
0. 013 4
0. 128 7
0. 055 8
0. 128 7
0. 055 8
0. 071 3
0. 021 4
注:A 表示 DK26+ 039 ~ DK26 + 500 段,B 表示 DK28 + 400 ~ DK30 +
560 段,C 表示 DK30 + 698 ~ DK31 + 000 段,D 表示:DK45 + 035 ~ DK45 +
了大量研究 [7-9] ;李崇威等总结了二次衬砌的机械配
置在二次混凝土浇筑过程中的作用以及施工中的关键
技术 [10-11] ;王吉成研究高铁隧道二衬顶拱带模注浆孔
的布置、注浆要求、注浆材料性能等
[12]
;尹承红等结合
大瑞铁路隧道二衬拱顶防脱空施工技术,介绍了隧道
二 衬 拱 顶 防 脱 空 施 工 工 艺 及 方 法, 总 结 了 施 工 经
structure.
Key words: secondary tunnel lining; safety assessment; damage stage method; ANSYS; finite element
analysis
1 概述
收稿日期:2020 07 05
基金项目:广西壮族自治区重点研发计划( 桂科 AB1850043) 。
analyze the stress conditions of the secondary lining structure. Tunnel depth, surrounding rock level, load
sharing ratio of the primary two lining, structural tensile and compressive safety factor were adopted to assess
隧道二衬结构安全性检测多使用地质雷达。 地质
雷达通过高频电磁波进行扫描,当电磁波遇到不均匀
介质时,其反射系数会发生变化,进而达到识别目标物
的目的。 然而,地质雷达检测仅能探测出二衬结构是
否密实,或有无钢筋缺失,难以查明结构受力情况。
一些专家对隧道二衬结构安全性进行相关研究,
并提出相应的改进措施。 崔蓬勃等针对膨胀力对运营
陷的段落有 3 段,也处于安山岩地层,分别为:DK28 +
400 ~ DK30 + 560、DK30 + 698 ~ DK31 + 000、DK45 + 035 ~
DK45 + 055,均为Ⅴ级围岩,灰紫色、灰绿色,强风化,节
理裂隙发育,呈破碎状结构。
3 结构荷载计算
3. 1 评估依据
基于破损阶段法理论,以二衬结构破坏时受力情
(2) 深埋围岩压力计算
围岩垂直均布压力为
q = γh = 0. 45 × 2 s - 1 ωγ
(3)
式中,s 为围岩级别;ω 为宽度影响系数;B 为隧道
最大开挖跨度,应考虑超挖影响。
隧道二衬荷载承载能力有一定范围,A 段( DK26 +
112
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055 段。
(3) 素混凝土安全评定标准
K 1 N ≤ ϕαR a bh
A
拱墙 0. 25 仰拱 0. 25
C
拱墙 0. 28 仰拱 0. 28
B
D
(4)
心距;K 2 为抗拉安全系数。
4 二衬钢筋缺失结构安全性评估
4. 1 参数选取和模型建立
通过无 破 损 检 测, 表 明 隧 道 正 洞 DK26 + 039 ~
期间隧道二次衬砌结构影响进行研究 [1] ;余永康等应
用数值模拟方法对隧道二衬作用效应及分担比进行研
究 [2-3] ;胡庆龙等研究隧道衬砌缺陷问题,并提出钢筋
混凝土套衬整治方案 [4] ;常伟学等研究隧道二衬施工
钢筋间距问题 [5-6] ;李忠凯等在管棚的设计与施工方
法、管棚支护的力学机理、实际工程数值模拟等方面做
表 1 围岩水平均布压力
Ⅳ
围岩级别
Ⅴ
(0. 15 ~ 0. 3) q
水平均布压力
K2 N ≤ ϕ
(0. 3 ~ 0. 5) q
围岩级别
A
Ⅳb
C
Ⅴ b-1
Ⅴa
B
Ⅴ c-1
D
二衬荷载
分担比例
计算取
用比例
30% ~ 50%
50%
50% ~ 70%
50%
垂直承担荷 水平承担
载 q / MPa 荷载 e / MPa
Secondary Tunnel Lining Structure
Tian Yuesong
( School of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi 545006, China)
(1)
q
(2)
γ
式中:H p 为浅埋隧道分界深度;h q 为荷载等效高
hq =
度;q 为深埋隧道垂直压力;γ 为围岩容重。
令 H p 取 最 大 值, 经 计 算, 4 段 隧 道 H p 分 别 为
7. 095 m、15. 323 m、15. 323 m、9. 903 m,而此 4 段隧道
验
[13]
;刘振青等研究了高性能混凝土在隧道二衬结构
图 1 某隧道直线段状况
相对稳定地块。 隧道采用暗挖及明挖两种方式开挖,Байду номын сангаас
全长约 5 495. 7 m, 未 见 地 下 水。 其 中, DK26 + 039 ~
DK26 + 500 段处于安山岩地层,为Ⅳ级围岩,浅灰色,
弱风化,岩体较完整,呈块石状镶嵌结构。 存在二衬缺
0. 30
22
0. 20
18. 0
400
1. 5
0. 35
20
22
0. 20
0. 20
18. 0
18. 0
420
300
2. 0
1. 0
0. 35
0. 35
表 5 C35 混凝土物理力学计算参数
材料类型
素混凝土
钢筋混凝土
重度
泊松比 μ
/ ( kN / m3 )
23
25
0. 20
0. 20
载、初支二衬荷载分担比,并引入结构抗拉抗压安全系数来评定二衬结构安全状况,计算出隧道断面各
点处弯矩值、轴力值,进而得出钢筋缺失段安全系数。 以石家庄地区某隧道为例,经计算,钢筋缺失段抗
拉抗压安全系数未达到对应规范值(3. 6、2. 4) ,抗拉安全系数较全截面钢筋降低 70%以上,判定二衬结
构安全性不合格。 并针对较长隧段二衬结构钢筋缺失问题提出了可靠的处理措施。
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2021 年第 1 期
铁 道 勘 察
文章编号:1672
7479(2021)01
0110
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隧道二衬结构安全性评估及改进方案
田岳松
( 广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006)
摘 要:为解决较长段深埋隧道二衬钢筋缺失情况下结构安全性问题,基于破损阶段法理论,运用
ANSYS 有限元软件建模分析隧道二衬结构受力情况,综合分析隧道埋深、围岩级别、围岩水平竖直荷
图 1。
2. 2 地质概况
石家庄地区属于华北地块一级大地构造单元,为
安全 系 数, 依 据 TB 10003—2016 《 铁 路 隧 道 设 计 规
衬砌。 计算复合式衬砌时,初期支护应按主要承载结
3. 2 计算公式
(1) 隧道深浅埋的划分
划分隧道深埋与浅埋时,有
H p = (2 ~ 2. 5) h q
铁 道 勘 察
039 ~ DK26 + 500) 无结构缺陷,二衬荷载分担比例取最
式中:R a 为混凝土抗压极限强度;K 1 为抗压安全
小值( 见表 1、表 2) 。
影响系数。
大值;其余 3 段存在钢筋缺失,二衬荷载分担比例取最
系数;b 为截面的宽度;h 为截面厚度;α 为轴向力偏心
②偏心受压结构抗拉强度为
the tunnel with full-section steel bars. The safety of the second lining structure was determined as unqualified.
Reliable treatment measures were presented for tunnel with reinforcement missed in the second lining
关键词:隧道二衬;安全性评估;破损阶段法;ANSYS;有限元分析
中图分类号: U451 + . 4 ; U455. 91 文献标识码: A
DOI:10. 19630 / j. cnki. tdkc. 202007050001
开放科学( 资源服务) 标识码( OSID) :
Safety Assessment and Improvement Schemes of the
;谭贤君等对寒区隧道二衬混凝土冬季施
况为根据,综合考虑材料的塑性性能并引入抗拉抗压
以上学者主要针对于不同环向钢筋间距、二衬顶
范》 ,矿山法隧道应采用曲墙式衬砌,并宜采用复合式
部脱空、二衬内单层钢筋条件下二衬结构的安全性问
构计算,二次衬砌在Ⅳ级、Ⅴ级围岩情况下,宜按承载
题进行研究,但是其并未涉及较长段隧道二衬钢筋全
作者简介:田岳松(1995—) ,男,广西科技大学土木工程专业在读硕士
研究生。
隧道工程在国民经济建设中发挥着不可替代的作
用,隧道二衬结构既承担隧道荷载,又起到装饰作用,
正可谓内实外华。 二衬结构检测是隧道施工验收的重
111
隧道二衬结构安全性评估及改进方案:田岳松
要内容,是确保隧道安全运营的重要保障。
Abstract: In order to analyze safety problems of the secondary lining of long deep-buried tunnel with steel bars
missed, based on the theory of damage stage method, ANSYS finite element software was used to model and
I20a
拱墙 0. 30 仰拱 0. 30
I20a
拱墙
拱墙
I20a
拱墙、仰拱
拱墙、仰拱
Ⅳb
钢筋直 钢筋间 重度 γ
反力系 k 变形模量
径 / mm 距 / m / ( kN / m3 ) / ( MPa / m) E / GPa
Ⅴa
Ⅴ b-1
Ⅴ c-1
泊松比 μ
20
0. 20
21. 0
500
5. 0
in Shijiazhuang area as an example, after calculation, the tensile and compressive safety factor of the missing
steel bar did not reach the corresponding standard value (3. 6, 2. 4) , and the tensile safety factor was 70% of
2 工程概况
2. 1 隧道概况
石家庄某隧道直线段处为Ⅳ级、Ⅴ级围岩,该地段
为单斜构造,节理裂隙较发育,给施工带来较大难度。
采用钢格栅 ϕ6. 5@ 150 mm 钢筋网片及 C25 网喷混凝
土进行初期支护,竖井钢格栅四角设置 I22a 工字钢斜
撑进行加强,二衬采用 C35 模筑混凝土。 隧道状况如
结构设计。
中的应用
[14]
工温控技术进行研究,为类似工程安全、快速实施提供
借鉴 [15] 。
部缺失情况,以下采用 ANSYS 建模对二衬结构进行模
拟,综合考虑钢筋缺失情况、围岩类型、隧道埋深、拱墙
厚度等因素,得出隧道断面各部分的轴力图、弯矩图,
再运用破损阶段法计算出各部分的抗拉抗压安全系
数,从而判断出隧道二衬是否安全。
DK26 + 500 段钢筋信号正常,DK28 + 400 ~ DK300 + 560、
DK30 + 698 ~ DK31 + 000 和 DK45 + 035 ~ DK45 + 055 段拱
道安全考虑,对上述 4 段二衬结构进行内力分析。
表 3 各里程段衬砌设计参数
二次衬砌
钢拱架
规格
部位
I18
拱墙 0. 28 仰拱 0. 28
the safety of the secondary lining structure. Bending moment and axial force values at each points of the tunnel
section were calculated. The safety factor of the section with steel bars missed was obtained. Taking a tunnel
0. 059 6
0. 013 4
0. 128 7
0. 055 8
0. 128 7
0. 055 8
0. 071 3
0. 021 4
注:A 表示 DK26+ 039 ~ DK26 + 500 段,B 表示 DK28 + 400 ~ DK30 +
560 段,C 表示 DK30 + 698 ~ DK31 + 000 段,D 表示:DK45 + 035 ~ DK45 +
了大量研究 [7-9] ;李崇威等总结了二次衬砌的机械配
置在二次混凝土浇筑过程中的作用以及施工中的关键
技术 [10-11] ;王吉成研究高铁隧道二衬顶拱带模注浆孔
的布置、注浆要求、注浆材料性能等
[12]
;尹承红等结合
大瑞铁路隧道二衬拱顶防脱空施工技术,介绍了隧道
二 衬 拱 顶 防 脱 空 施 工 工 艺 及 方 法, 总 结 了 施 工 经
structure.
Key words: secondary tunnel lining; safety assessment; damage stage method; ANSYS; finite element
analysis
1 概述
收稿日期:2020 07 05
基金项目:广西壮族自治区重点研发计划( 桂科 AB1850043) 。
analyze the stress conditions of the secondary lining structure. Tunnel depth, surrounding rock level, load
sharing ratio of the primary two lining, structural tensile and compressive safety factor were adopted to assess
隧道二衬结构安全性检测多使用地质雷达。 地质
雷达通过高频电磁波进行扫描,当电磁波遇到不均匀
介质时,其反射系数会发生变化,进而达到识别目标物
的目的。 然而,地质雷达检测仅能探测出二衬结构是
否密实,或有无钢筋缺失,难以查明结构受力情况。
一些专家对隧道二衬结构安全性进行相关研究,
并提出相应的改进措施。 崔蓬勃等针对膨胀力对运营
陷的段落有 3 段,也处于安山岩地层,分别为:DK28 +
400 ~ DK30 + 560、DK30 + 698 ~ DK31 + 000、DK45 + 035 ~
DK45 + 055,均为Ⅴ级围岩,灰紫色、灰绿色,强风化,节
理裂隙发育,呈破碎状结构。
3 结构荷载计算
3. 1 评估依据
基于破损阶段法理论,以二衬结构破坏时受力情